JP2022146827A - 孔形成方法及び孔形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１面と、第１面と対向する第２面を有するワークに、第１面から第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成する孔形成方法を提供する。【解決手段】孔形成方法は、第１面１０ａと、第１面１０ａと対向する第２面１０ｂを有するワーク１０に孔２０を形成するツール１と、ワーク１０の中心を通る中心線Ｃと、が所定角度になる状態とし、ワーク１０の第１面１０ａにおいて、中心線Ｃから所定寸法離れた位置に、ツール１により孔２０を形成する開始位置Ｓを設定し、ツール１を駆動させてから、ワーク１０を回転させることで、ワーク１０に、第１面１０ａから第２面１０ｂに向かって円弧形状に延びる孔２０を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、孔形成方法及び孔形成装置に関する。さらに詳細には、本発明は、第１面と、前記第１面と対向する第２面を有するワークに、前記第１面から前記第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成する孔形成方法に関する。

従来、この種の孔形成方法としては、例えば、特許文献１等で提案されているものが知られている。
特許文献１に開示された孔形成方法は、被加工材の貫通孔に対応するドリル径を有する孔あけドリルの先端部から貫通孔の長さよりも長く同一軸線上に延出され、かつ孔あけドリルよりも小径の小径案内軸を被加工材に貫通させる工程と、小径案内軸を回転保持具によって保持した状態で孔あけドリルの軸線上に沿って移動案内しながら孔あけドリルを前進させることで前記被加工材に貫通孔を孔あけ加工する工程と、を備えている。

特表２０１４－１８９２８号公報

しかし、特許文献１に開示された孔形成方法は、第１面と、第１面と対向する第２面を有するワークに、第１面から第２面に向かって直線的に延びる孔を形成できるものの、第１面から第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成することはできない。

本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、第１面と、第１面と対向する第２面を有するワークに、第１面から第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成する孔形成方法及び孔形成装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る孔形成方法の構成は、
（１） 第１面と、前記第１面と対向する第２面を有するワークに、前記第１面から前記第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成する孔形成方法であって、
前記ワークに前記孔を形成するツールと、前記ワークの中心を通る中心線と、が所定角度になる状態とし、
前記ワークの前記第１面において、前記中心線から所定寸法離れた位置に、前記ツールにより前記孔を形成する開始位置を設定し、
前記ツールを駆動させてから、前記ワークを回転させることを特徴とする。

本発明の孔形成方法の上記（１）の構成によれば、前記第１面と対向する第２面を有するワークに対して、ワークに孔を形成するツールと、ワークの中心を通る中心線と、が所定角度になる状態とし、ワークの第１面において、中心線から所定寸法離れた位置に、ツールにより孔を形成する開始位置を設定し、ツールを駆動させてから、ワークを回転させる。これにより、ワークに、第１面から第２面に向かって円弧形状に延びる孔が形成される。
従って、本発明の孔形成方法の上記（１）の構成によれば、第１面と、第１面と対向する第２面を有するワークに、第１面から第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成する孔形成方法を提供することができる。

本発明の孔形成方法の上記（１）の構成においては、以下の（２）のような構成にすることが好ましい。

（２）前記第１面から前記第２面に向かって円弧形状に延びる前記孔を、前記ワークの内部まで形成した後に、
前記ワークを、前記第１面と前記第２面の位置を反転させ、
前記ワークの前記第２面において、前記孔の軌道の延長線上に、前記ツールにより前記孔を形成する開始位置を設定し、
前記ツールを駆動させてから、前記ワークを前記中心線を中心に回転させ、前記第２面から前記第１面に向かって円弧形状に延び、前記ワークの内部において、前記孔と連通する逆孔を形成する。

ここで、第１面から第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成する場合、ワークの厚さ寸法（第１面から第２面までの距離）によっては、ツールの回転軸が、孔の内壁に当接し、第２面まで孔を形成できない場合がある。

上記（２）の好ましい構成によれば、第１面から第２面に向かって円弧形状に延びる孔を、ワークの内部まで形成した後に、ワークを、第１面と第２面の位置を反転させ、ワークの第２面において、孔の軌道の延長線上に、ツールにより孔を形成する開始位置を設定し、ツールを駆動させてから、ワークを回転させ、第２面から第１面に向かって円弧形状に延び、ワークの内部において、孔と連通する逆孔を形成する。これにより、例えば、ワークの厚さ寸法（第１面から第２面までの距離）により、第１面から第２面まで孔を形成できない場合、ワークを、第１面と第２面の位置を反転させ、第２面から第１面に向かって逆孔を形成し、第１面から第２面に向かう孔と連通させる。
従って、本発明の孔形成方法の上記（２）の構成によれば、ワークの厚さ寸法（第１面から第２面までの距離）が比較的大きいワークに、第１面から第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成する孔形成方法を提供することができる。

前記目的を達成するため、本発明に係る孔形成装置の構成は、
（３） 第１面と、前記第１面と対向する第２面を有するワークに、前記第１面から前記第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成する孔形成装置であって、
前記ワークを保持する保持部と、前記ワークに前記孔を形成するツールと、を備え、
前記ツールは、
前記ワークの中心を通る中心線に対して、所定角度となる状態で配置され、
前記ワークの前記第１面において、前記中心線から所定寸法離れた位置に、前記孔を形成する開始位置が設定され、
前記保持部は、前記ツールが駆動してから、前記ワークを回転させることを特徴とする。

本発明の孔形成装置の上記（３）の構成によれば、孔形成方法の上記（１）と同様の作用効果を奏する。

本発明によれば、第１面と、第１面と対向する第２面を有するワークに、第１面から第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成することができる。

本発明の一実施形態における孔形成方法により製造される製造物の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態における孔形成方法の概要を説明する図である。 本発明の一実施形態における孔形成方法のフローを説明する図である。 本発明の一実施形態における孔形成方法のステップＳ１及びステップＳ２が完了した状態を示す図である。 本発明の一実施形態における孔形成方法のステップＳ３及びステップＳ４が完了した状態を示す図である。 本発明の一実施形態における孔形成方法のステップＳ３及びステップＳ４が完了した状態を示す図である。 本発明の一実施形態における孔形成方法のステップＳ５が完了した状態を示す図である。 本発明の一実施形態における孔形成方法のステップＳ６を進めた状態を示す図である。 本発明の一実施形態における孔形成方法のステップＳ６を、進めた後に、ワーク１０を、第１面と第２面の位置を反転させた状態を示す図である。

以下、好適な実施形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、下記の実施形態は本発明を具現化した例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。

［孔形成方法の概要］
まず、本発明の一実施形態における孔形成方法の概要について、図１及び図２を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態における孔形成方法により製造される製造物の構成を示す斜視図、図２は、本発明の一実施形態における孔形成方法の概要を説明する図である。

本実施形態の孔形成方法１は、第１面１０ａと対向する第２面１０ｂを有するワーク１０に、第１面１０ａから第２面１０ｂに向かって円弧形状に延びる孔２０を形成し、製造物１００を製造する。

製造物１００は、外周が上面視で円形状に形成され、所定の厚さを有し、例えば、回転させることで、孔２０に流体（気体や液体）を流通させるツール（例えば、切削用のツールヘッド等）や、孔２０に流体（気体や液体）を流通させることで、回転力を得る回転体である。このような回転体は、回転力により、駆動力や電気を得る装置（例えば、エンジン、モータ、発電機等）に応用することができる。

図２に示すように、本実施形態の孔形成方法１は、ワーク１０に孔２０を形成するツール１の回転軸ＴＣと、ワーク１０の中心を通る中心線Ｃと、が所定角度（例えば、３５°等）になる状態とし、ワーク１０の第１面１０ａにおいて、中心線Ｃから所定寸法離れた位置に、ツール１により孔２０を形成する開始位置Ｓを設定し、ツール１を駆動させてから、ワーク１０を回転させる。
これにより、ワーク１０に、第１面１０ａから第２面１０ｂに向かって円弧形状に延びる孔２０を形成できる。

本実施形態の孔形成方法１は、ワーク１０を、中心線Ｃを回転の中心軸として回転させるとともに、中心線Ｃに沿って、ツール１の方向に移動させる。これにより、ツール１と、ワーク１０の中心を通る中心線Ｃとの角度に応じた螺旋形状の（螺旋曲線Ｒを中心とする）孔２０を形成することができる。

［孔形成方法の詳細］
次に、本発明の一実施形態における孔形成方法の詳細について説明する。
図３は、本発明の一実施形態における孔形成方法のフローを説明する図である。図４から図９は、本発明の一実施形態における孔形成方法における各ステップの状態を説明する図である。

本実施形態の孔形成方法を行う孔形成装置は、先端にビットが配置され、ビットを回転させるツール１と、ワーク１０を保持し、回転及び移動させる保持部２と、ツール１と保持部２の駆動を制御する制御部（図示無し）と、を備える。孔形成装置は、例えば、５軸加工機で構成される。なお、本実施形態の説明では、ツール１は、回転ドリルであるが、公知のレーザ照射機としてもよい。また、保持部２は、回転・移動・傾斜可能なテーブルであるが、ツール１を移動できれば、回転・傾斜可能なテーブルであってもよい。また、保持部２は、ツール１を傾斜できれば、回転・移動可能なテーブルであってもよい。

また、以下、一例として、半径が１２５ｍｍ、厚さ５０ｍｍの円板形状のワーク１０に、ワーク１０の中心から８５ｍｍ離れた位置に、半径８５ｍｍで、中心を垂直方向に配置した場合に、水平方向に対して３５°傾斜して延びる螺旋曲線Ｒを中心とする、内径３０ｍｍの孔を、孔形成装置で形成する例について説明する。なお、ワークの形状・寸法、円孤形状孔の大きさ・位置、円弧の形状は、任意に設定することができる。また、ワークは、本実施形態では金属製としているが、これに限らず、ファインセラミックスでもよいし、木材でもよいし、樹脂素材でもよく、素材には限定されない。

図４は、ステップＳ１及びステップＳ２が完了した状態を示している。図４は、正面を水平方向から視た図である。
ステップＳ１では、ツール１をセットする。ツール１は、先端にビット１ａが設けられ、ビット１ａの回転軸ＴＣが垂直に配置される。また、ビット１ａは、円板形状の切削刃であり、その底面でワーク１０を切削し、中心が、ワーク１０の面方向の中心線Ｃから距離Ｌ離れた位置にセットされる。ビット１ａの直径は、所望する孔２０（図２参照）の内径に応じた寸法（本説明例では、直径３０ｍｍ）である。また、距離Ｌは、ワーク１０における所望する孔２０（図２参照）位置に応じて決定され、本実施形態で説明する例では、ワーク１０の中心から８５ｍｍ離れた位置である。

ステップＳ２では、ワーク１０をセットする。ワーク１０は、保持具２の回転軸と、ワーク１０の面方向の中心とが一致するように、保持具２に固定される。そして、ワーク１０は、保持具２を傾斜させることで、ツール１のビット１ａの回転軸ＴＣと、ワーク１０の厚さ方向の中心を通る中心線ＷＴＣと、が所定角度になる状態に配置される。この状態で、保持具２又はツール１を、互いに近接する方向に移動し、ビット１ａの端部が、ワーク１０の第１面１０ａに当接させ、図４に示す状態とする。なお、本実施形態では、ツール１の回転軸ＴＣを垂直に配置し、保持具２（ワーク１０）を傾斜させているが、保持具２（ワーク１０）を水平に配置し、ツール１の回転軸ＴＣを傾斜させることで、ツール１のビット１ａの回転軸ＴＣと、ワーク１０の厚さ方向の中心を通る中心線ＷＴＣと、が所定角度になる状態に配置してもよい。

ビット１ａの回転軸ＴＣに対するワーク１０の中心線ＷＴＣの所定角度は、ワーク１０に形成する、第１面１０ａから第２面１０ｂに向かって円弧形状に延びる孔２０の入射角となる。本実施形態で説明する例では、孔２０を、水平方向に対して３５°傾斜して延びる螺旋曲線Ｒ（図２参照）を中心とする孔とするので、ビット１ａの回転軸ＴＣに対するワーク１０の中心線ＷＴＣの所定角度α（後述する図５参照）は、３５°に設定される。

ステップＳ３では、制御部（図示無し）は、ビット１ａを回転軸ＴＣを中心に回転させ、保持具２を、図４に示す矢印方向に回転させることで、ワーク１０を、中心線Ｃを中心に回転させる。本ステップから、ワーク１０に対して孔２０の形成が開始される。本実施形態で説明する例では、制御部（図示無し）は、保持具２（ワーク１０）を回転させるとともに、保持具２又はツール１を、中心線Ｃに沿って、互いに近接する方向に移動することで、ビット１ａ側に保持具２（ワーク１０）を移動する。

図５及び図６は、ステップＳ３及びステップＳ４が完了した状態を示している。図５は、図２に示す左方向から視た図である。図６は、図５に示す中心線Ｃの第１面１０ａ側から視た図である。
ワーク１０（保持具２）の回転量Ａと、保持具２又はツール１の移動量Ｂと、の関係により、孔２０の形状が決まる。本実施形態で説明する例では、孔２０を、半径８５ｍｍで、水平方向に対して３５°傾斜して延びる螺旋曲線Ｒを中心とする孔とするので、回転量Ａと、移動量Ｂと、の関係は、以下のとおりになる。

螺旋曲線Ｒを、螺旋曲線Ｒが延びる方向から視た円周は、小数点第三位以下を四捨五入した値で５３４．０７ｍｍ（直径１７０ｍｍ×円周率（約３．１４））である。
螺旋曲線Ｒの高さは、小数点第三位以下を四捨五入した値で３７３．８５ｍｍ（円周５３４ｍｍ×ｔａｎ３５°（約０．７０））である。
以上より、移動量Ｂが１ｍｍに対する回転量Ａは、小数点第三位以下を四捨五入した値で１．４３ｍｍ（５３４．０７ｍｍ／３７３．８５ｍｍ）である。

ステップＳ４では、孔２０の基準面２０ａを形成する。基準面２０ａを形成したら、ワーク１０（保持具２）の回転と、保持具２又はツール１の移動を停止する。

基準面２０ａは、ビット１ａの底面で切削された面であり、螺旋曲線Ｒの延びる方向と直交する面である。ビット１ａの底面で切削された面は、ビット１ａの端部がワーク１０に当接した後、ステップＳ３を開始することで、徐々に面積が大きくなり、ビット１ａの底面全面がワーク１０に当接した状態となると、予め設定された孔２０の内径（ビット１ａの底面の直径）と同じ直径となり、基準面２０ａとなる。

なお、ステップＳ４における基準面２０ａの形成は、ワーク１０の厚さに応じて省略してもよい。すなわち、後述するステップＳ５において、ビット１ａからビット１ｂに交換しなくても、孔２０を、ワーク１０の第１面１０ａから第２面１０ｂまで貫通させることができる場合には、ステップＳ４から後述するステップＳ６までを省略することができる。

図７は、ステップＳ５が完了した状態を示している。図７は、図２に示す左方向から視た図である。
ステップＳ５では、保持具２又はツール１を移動させることで、ビット１ａを基準面２０ａから離間させ、ツール１の円板形状の切削刃であるビット１ａを、ビット１ａと同じ直径である最大径部分から、先端中央に向かって外径が収束する円錐形状の切削刃であるビット１ｂに交換し、再び、保持具２又はツール１を移動させることで、ビット１ｂの先端を、基準面２０ａの中心に当接させる。これにより、図７に示す状態となる。

ステップＳ６では、制御部（図示無し）は、ステップＳ３と同様に、ビット１ａを回転軸ＴＣを中心に回転させ、ワーク１０を回転させるとともに、保持具２又はツール１を、中心線Ｃに沿って、互いに近接する方向に移動することで、ビット１ａ側にワーク１０を移動する。

図８は、ステップＳ６を進めた状態を示している。図８は、図７に示す中心線Ｃの第１面１０ａ側から視た図である。
ステップＳ６を進めた場合、ワーク１０の厚さによっては、孔２０が、第１面１０ａから第２面１０ｂに貫通する前に、図８に示すように、ツール１の軸１ｃが、孔２０の側壁２０ｂに当接してしまう場合がある。

図９は、ステップＳ６を、進めた後に、ワーク１０を、第１面１０ａと第２面１０ｂの位置を反転させた状態を示している。図９は、図２に示す左方向から視た図である。このような場合、例えば、ワーク１０の厚さ方向の中間位置まで、孔２０を形成した後に、ワーク１０を、第１面１０ａと第２面１０ｂの位置を反転させ、第２面１０ｂから第１面１０ａに向かって、ステップＳ１からステップＳ６を行う（以下、「反転工程」ともいう。）。なお、以下の説明において、上記の第１面１０ａから第２面１０ｂに向かって孔２０を形成する工程と同様の構成は、説明を省略又は簡略する。

反転工程において、ステップＳ２では、ワーク１０の第２面１０ｂにおいて、第１面１０ａから第２面１０ｂに向かって形成した孔２０の軌道（図９に示す例では、螺旋曲線Ｒ）の延長線上に、ツール１のビット１ａにより孔２０を形成する開始位置を設定する。その後、ステップＳ３からステップＳ６を行うことで、図９に示すように、第２面１０ｂから第１面１０ａに向かって円弧形状に延び、ワーク１０の内部において、孔２０と連通する逆孔２１を形成する。なお、ワーク１０の厚さによっては、孔２０が、第１面１０ａから第２面１０ｂに貫通する。この場合、反転工程は省略することができる。

本実施形態の孔形成方法にあっては、ステップＳ３において、ワーク１０を回転させるとともに、保持具２又はツール１を、中心線Ｃに沿って、互いに近接する方向に移動する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明は必ずしもこのような構成に限定されるものではない。ワーク１０を回転させれば、保持具２又はツール１を、中心線Ｃに沿って、互いに近接する方向に移動させなくともよい。

この場合、ツール１と、ワーク１０の中心を通る中心線Ｃと、が所定角度（例えば、３５°等）になる状態とし、ワーク１０を、ツール１（例えば、直交方向）と直交する方向（例えば、水平方向）を中心軸として回転させれば、第１面１０ａから第２面１０ｂに向かって円弧形状に延びる孔２０を形成することができる。また、この場合、更に、制御部（図示無し）の制御により、ワーク１０を、ワーク１０の中心を中心点として回転させることで、円弧形状に延びる孔２０を、螺旋形状に調整することもできる。

１ ツール
１ａ ビット（円柱形状）
１ｂ ビット（円錐形状）
１ｃ 軸
２ 保持具
１０ ワーク
１０ａ 第１面
１０ｂ 第２面
２０ 孔
２０ａ 基準面
２０ｂ 側壁
２１ 逆孔
１００ 製造物

Claims (3)

1. 第１面と、前記第１面と対向する第２面を有するワークに、前記第１面から前記第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成する孔形成方法であって、
   前記ワークに前記孔を形成するツールと、前記ワークの中心を通る中心線と、が所定角度になる状態とし、
   前記ワークの前記第１面において、前記中心線から所定寸法離れた位置に、前記ツールにより前記孔を形成する開始位置を設定し、
   前記ツールを駆動させてから、前記ワークを回転させることを特徴とする孔形成方法。
2. 前記第１面から前記第２面に向かって円弧形状に延びる前記孔を、前記ワークの内部まで形成した後に、
   前記ワークを、前記第１面と前記第２面の位置を反転させ、
   前記ワークの前記第２面において、前記孔の軌道の延長線上に、前記ツールにより前記孔を形成する開始位置を設定し、
   前記ツールを駆動させてから、前記ワークを回転させ、前記第２面から前記第１面に向かって円弧形状に延び、前記ワークの内部において、前記孔と連通する逆孔を形成することを特徴とする請求項１に記載の孔形成方法。
3. 第１面と、前記第１面と対向する第２面を有するワークに、前記第１面から前記第２面に向かって円弧形状に延びる孔を形成する孔形成装置であって、
   前記ワークを保持する保持部と、前記ワークに前記孔を形成するツールと、を備え、
   前記ツールは、
   前記ワークの中心を通る中心線に対して、所定角度となる状態で配置され、
   前記ワークの前記第１面において、前記中心線から所定寸法離れた位置に、前記孔を形成する開始位置が設定され、
   前記保持部は、前記ツールが駆動してから、前記ワークを回転させることを特徴とする孔形成装置。

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